PDF《电力活塞式电动机电磁驱动系统》

Pj I为一次往复惯性力;

Pj I I为二次 往复惯性力( 假定曲轴作匀速旋转运动) . 沿气缸中心线方向上写出永磁体活塞上的力学方程为 m d

2 x( t) d t

2 =FM +m g+Pj-Fμ (

1 0 ) 式中Pj 为往复惯性力, F μ 为摩擦力, 由活塞的平衡条件可得 Ft = ( FM +Pj) c o s β Fr =( FM +Pj) t a n β 综上所述,得出电磁驱动系统动态模型的方程组表达式为 FM =

1 2 μ0 S1 N i+HC h1 x( t) + h1 μr é ? ê ê ê ù ? ú ú ú

2 +

1 2 μ0 S2 HC h2 x( t) + h2 μr é ? ê ê ê ù ? ú ú ú

2 Pj=-mj a=-mj R w2 c o s α-mj R w2 λ c o s

2 α m d

2 x( t) d t

2 =FM +m g+Pj-Fμ ì ? í ? ? ? ? ? ? ? ? (

1 1 )

4 西南大学学报( 自然科学版) h t t p : / / x b b j b ? s w u ? e d u ? c n 第3 8卷 上述x( t) 为变量,随着活塞位置的变化呈现周期性的变化. 其值为: x( t) =R( 1-c o s α) +L( 1- 1-λ

2 s i n

2 α) +c (

1 2 )

3 电磁驱动系统的动力学仿真 根据上述设定的参数值和动力学方程组,忽略Fμ 摩擦力的影响,建立公式组(

1 0 ) 的子系统模块,搭建 电磁驱动系统仿真模块框图如图5所示. 图5 电磁驱动系统仿真框图 在应用 MAT L A B / s i m u l i n k进行仿真前,电磁驱动系统和活塞组相关数据分别见表

3、表4. 表3 电磁驱动系统的仿真参数 参数名称参数值 参数名称参数值 绕组匝数( N)

5 0

0 永磁体矫顽力( Hc) / ( A?m-1 )

1 0

0 电磁铁磁极面积( S) / m

2 1 ?

6 π *1 0-3 永磁体相对磁导率( μr)

1 电流幅值( I) / A

1 2

0 真空磁导率( μ0) / ( H?m-1 )

4 π *1 0-7 初始气隙( c) / m

0 ?

0 0

5 永磁体厚度( h1) / m

0 ?

0 5 表4 活塞组仿真参数 参数名称参数值 参数名称参数值 活塞组质量( mj) / k g

5 ?

5 连杆长度( L) / m

0 ?

1 4

75 永磁体活塞面积( S) / m

2 1 ?

6 π *1 0-3 曲柄半径( R) / m

0 ?

0 4

75 永磁体活塞高度( h2) / m

0 ?

0 3

5 将设计的控制对象参数代入仿真模型,设定电流周期 T=0 ?

0 2s ,如前面所述,假定曲轴作匀速旋转运 动,在电磁驱动系统绕组线圈电流处于稳定的情况下,得到活塞的位移、加速度仿真曲线,电磁力仿真曲 线. 其中,工作电流变化曲线和活塞往复运动位移变化曲线如图

6、图7所示,活塞呈现周期性的往复运 动,从图8可以看出,随着时间和活塞位移的周期性变化,电磁力的大小呈现周期性的变化,与传统发动 机的压缩、做功两个行程相同,完成电磁力驱动式活塞发动机的一个工作循环,期间活塞在上、下止点间 往复移动两个行程,曲轴旋转一周. 当活塞运行至上止点时,电磁驱动系统得电,电磁力迅速增大,此时活塞所受到的电磁力最大,驱动 活塞向下运动,与传统发动机的做功行程相似. 随着活塞位移的增大电磁力逐渐降低,当活塞到达下止点 时,电磁驱动系统断电,此时电磁力最小为零,当活塞到达上止点时,电磁驱动系统得电,活塞所受到的排 斥力瞬间增大. 活塞依靠飞轮的转动惯量,通过曲柄连杆机构带动活塞往复运动,类似于传统二冲程发动 机的压缩和做功行程. 活塞在所受合力状态下加速度曲线变化规律如图9.

5 第2期 赵景波,等:电力活塞式电动机电磁驱动系统数学模型及特性分析 图6 电流周期变化曲线 图7 活塞往复位移运动曲线 图8 理论电磁力随时间和位移变化的仿真曲线 图9 理论加速度随时间和位移变化的仿真曲线 图1